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大地震:偶然與必然

阿樹_96
・2012/08/24 ・2569字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 539 ・八年級

規模大於8.3的地震發生的時間點接近於隨機分布

國際期刊《科學》的網頁上,在2012年8月2日的一則科學新聞,題為:<大地震之間的關聯?>(Are Major Earthquakes Linked)主要內容翻譯如下:1900年以來規模排名前六的其中兩起地震:2010年2月,發生於智利規模8.8地震,以及2011年3月,規模9.0、憾動全日本的大地震,兩起地震相距不到13個月。在1960年代前後約57個月的時間內,在環太平洋地區,也曾接連的發生四次重大的地震。

是巧合嗎?或許是吧!學者分析了從1900年到2011年之間規模大於8.3的地震,彼此之間發生的間距時間,統計結果顯示,在1年之內發生兩起這樣重大的地震機會約有9.8%,這個結果發表在期刊《美國地震學會通報》(Bulletin of the Seismological Society of America, BSSA)上。即使發生的模式和分散的程度並非十分顯著,但仍可推定每次發生大地震隔年再次的機率為9.8%。在比較過111年內數百次的地震的時間分布模式後,研究團隊認為並沒有令人信服的證據能證明大地震之間具有關聯。所以下次在世界上任何一個角落發生大地震,別太過驚慌,因為那並不是你附近的斷層要錯動的徵兆。

這項研究基本上是以數學統計為出發點,利用數學裡的卜松過程(Poisson process)來證明大地震的時間分布是「隨機」的,至於有時會感覺到大地震頻繁的叢集性,多半科學家認為這是偶然的現象,畢竟由地震發生的機制,與對板塊構造學說的認識,兩個相距甚遠的板塊邊界或斷層系統(以上面那則報導說的日本與智利這樣遠的距離,甚至日本與臺灣附近這樣的距離),目前還沒有證據證明,彼此間會互相影響。這是在數學統計上的結果,如果從地震研究學者的角度來看呢?

圖一:1900年~2011年全世界規模大於8.3的地震時間普布。左方為規模,下方為發生年分的分布(a)所有的地震。(b)去除可能為大地震產生的餘震結果。本圖引用Tom Parsons and Eric L. Geist., 2012.

 

大地震的機制

雖然大地震的時間分布是隨機的,但是在地球上,地震的空間分布並不是隨機的,多半的地震都發生在板塊邊界之上,而板塊的邊界有三種:第一種是張裂型板塊邊界,物質由地函往地表形成新的岩石處,板塊也因而向兩旁分開;第二種是聚合型板塊邊界,板塊間是互相碰撞的,有可能性質接近而隆起成山脈,也有可能其中一個板塊隱沒下去成為隱沒帶;第三種則是沒有伸張也沒有聚合,互相擦身而過,就是轉型斷層邊界。板塊間的互相作用如果對於岩石累積了很大的力量,便會發生快速破裂滑動而形成地震(圖二)。規模大於9的巨大地震,幾乎發生在隱沒帶上,而破壞性極大,在海床底下發生的破裂會伴隨海嘯發生,使沿岸地區災情慘重。

去年3月11日日本東北大地震、2004年12月造成南亞海嘯的蘇門答臘,都是破裂範圍極長極廣的地震,一般而言,只要破裂長度大於800公里以上,就可能會造成規模9以上的強震,從圖三可以看出來,大地震分布在環太平洋的隱沒帶以及印尼附近的隱沒帶帶上,至於哪些地方發生機率大,哪些地方機率小呢?答案是「難以判定」!

圖二:隱沒帶中容易發生地震的地方。隱沒帶或斷層上面總是存在著一些凹凸不平的地方,而圖中灰色的地方就是代表板塊之間平常受到擠壓但還是固著的地方,某些固著的地方在能量累積到一定的程度,突然間快速地滑動,便伴隨著發生地震,固著的區塊越大,發生的地震規模也就越大,而地震發生過後,這些地方便重新累積能量。

 

圖三:全世界主要隱沒帶及規模7.5大地震分布(1700~2007,1900年以後是實心圓,1900以前則是空心圓)。有些地方過去100年沒發生過大地震,但在更早的200年內曾發生過規模9的地震。

 

下一個大地震,在哪?

舉例來說,北美的卡斯卡迪亞(Cascadia)地區,由歷史與地質資料得知此地地震復發的時間為600年,但其時間範圍卻從「200~1500」年,差距甚大。除了不易在固定地區計算再現周期,甚至要知道哪邊發生大地震比較高,也十分困難。在過去的研究發現,大地震總是發生在板塊聚合速度快、隱沒的板塊較為年輕的地區,例如北美的阿拉斯加、南美的智利。然而2004年蘇門答臘地震,發生在過去聚合速度較慢、板塊構造極老的印尼-安達曼地區。這起地震提醒了學者們,大地震不僅僅只發生於特定的隱沒帶,而南亞海嘯更教導了人們,「災害無國界」的道理。

2011年日本311地震,再次的告訴科學家與政府防災單位,還有什麼不足的地方。在311地震之前,多半的日本學者與政府單位認為,相對於東北地區,東京外海與東南海、南海地區存在了一個相當長的隱沒帶,整個隱沒帶長達1000多公里(圖四),過去也曾有連動紀錄(1707年寶永地震),萬一同時錯動,也可能發生規模9以上的地震,日本將主要的海底電纜式地震儀布於南海、東南海與首都圈的外海一帶,對於該區城可以說是呈「備戰狀態」。但地震發生的地區卻是過去沒有發生過如此大型錯動的日本東北,幸好,平時著重於防災教育與的日本民眾,在如此重大災難中仍沉著應對,除了福島核災之外,少有過度恐慌與混亂等等的二次傷害。

筆者最近去在日本旅遊時甚至在日常用品的百貨中,看到了專門販售地震相關用品的專櫃,裡面防災用品應有盡有,從地震包、存放糧食、臨時馬桶與固定家具的產品等,顯示對地震防災的高度重視。這也再再告訴我們,地震學的觀測史還有很長一段路要走,也還有許多未知的領域,而對於民眾的防災宣導以提升防災觀念、政府的的防災體系的完整度,更是面對地震這種未知天災時,更重要的環節。切勿把「預測」災害當作是防災主力,「防範未然」才是正確的防災觀念,與其探討下一次大地震在哪,不如問問自己,下一秒若發生地震,自己該怎麼做。

圖四:摘自牛頓雜誌2008年1月號,超巨大地震—日本西半部將成為震源區。
圖五:日本的地震防災用品專櫃,潘昌志攝。

 

延伸閱讀:

  • Tom Parsons and Eric L. Geist., 2012, Were Global M ≥8:3 Earthquake Time Intervals Random between 1900 and 2011? BSSA, Vol. 102, No. 4, pp. 1583–1592
  • Robert McCaffrey, 2007, The Next Great Earthquake., Science 315, 1675
  • 北一女地球科學網站:板塊英雄傳。
  • 中央氣象局  地震百問
  • 從311日本東北地震談起:大地震不可預測,要防範於未然。作者:陳卉瑄。科學月刊,2012年1月。
  • 牛頓雜誌2008年1月號,超巨大地震—日本西半部將成為震源區
  • Geller, R. J., 2011, Shake-up time for Japanese seismology, Nature vol.472:407-409.

作者部落格:地球故事書

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阿樹_96
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地球科學的科普專門家,白天在需要低調的單位上班,地球人如果有需要科普時時會跑到《震識:那些你想知道的震事》擔任副總編輯撰寫地震科普與故事,並同時在《地球故事書》、《泛科學》、《國語日報》等專欄分享地科大小事。著有親子天下出版《地震100問》。


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》